浅析BigDog四足机器人
浅析ＢｉｇＤｏｇ四足机器人
丁良宏 王润孝 冯华山 李 军
西北工业大学，西安，７１００７２
摘要：根据ＢｉｇＤｏｇ四足机器人目前已经公开的技术资料，对ＢｉｇＤｏｇ机器人的整体概况和主要核心技术点进行了分析。机械系统重点分析了ＢｉｇＤｏｇ的结构特性和运动特性，以及由此产生的高功率密度问题；通过剖析ＢｉｇＤｏｇ液压驱动系统基本构成，发现结构仿生的缺陷限制了ＢｉｇＤｏｇ机动性能的进一步提升。研究表明，复杂地形条件下ＢｉｇＤｏｇ的运动控制首先取决于姿态的检测和地形的感知，姿态安全是ＢｉｇＤｏｇ实现持续纵向运动的前提条件。基本行走控制算法研究表明，液压系统的输出特性，能良好地满足ＢｉｇＤｏｇ的动力需求；通过几种典型的运动状态分析，对ＢｉｇＤｏｇ的控制实现过程进行了诠释。因非结构化环境移动机器人的智能性主要取决于导航系统的设计，故重点分析了ＢｉｇＤｏｇ的导航系统，特别是全自主导航部分。最后结合课题组四足机器人的研究经历，对四足机器人的研发提出了一些建议。
关键词：ＢｉｇＤｏｇ四足机器人；液压执行器；仿生学；运动控制；导航；ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ中图分类号：ＴＰ２４２．６ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ
．ｉｓｓｎ．１００４－１３２Ｘ．２０１２．０５．００１Ｂｒｉｅｆ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ＢｉｇＤｏｇ Ｑｕａｄｒｕｐｅｄ ＲｏｂｏｔＤｉｎｇ Ｌｉａｎｇｈｏｎｇ Ｗａｎｇ Ｒｕｎｘｉａｏ Ｆｅｎｇ
Ｈｕａｓｈａｎ Ｌｉ ＪｕｎＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
，Ｘｉ’ａｎ，７１００７２Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ＢｉｇＤｏｇ ｑｕａｄｒｕｐｅｄ ｒｏｂｏｔ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｒｅ－
ｌｅａｓｅｄ，ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｒｏｆｉｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ＢｉｇＤｏｇ ｒｏｂｏｔ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｈｅｒｅｉｎ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒ－
ａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｍｏｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｓｓｕｅｓ ａｒｉｓｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅｓｅ ｗｅｒｅ ａｎａ－
ｌｙｚｅｄ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ
ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ＢｉｇＤｏｇ’ｓ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｒｉｅｆｌｙ．Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ ｔｈｅ ＢｉｇＤｏｇ’ｓ ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ
ｔｏｆｕｒｔｈｅｒ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ．Ｉｎ ｒｏｕｇｈ ｔｅｒｒａｉｎ，ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＢｉｇＤｏｇ ｆｉｒｓｔｌｙ
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ｏｕｓ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍｏｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｗａｌｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｒｉｅｆｌｙ．Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒ－
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ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｕｔｈｏｒ’ｓｒｅｓｅａｒｃｈ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｎ ｑｕａｄｒｕｐ
ｅｄ ｒｏｂｏｔ，ｓｏｍｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅｑｕａｄｒｕｐｅｄ ｒｏｂｏｔ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐ
ｏｓｅｄ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＢｉｇＤｏｇ ｑｕａｄｒｕｐｅｄ ｒｏｂｏｔ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ；ｂｉｏｎｉｃｓ；ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｎａｖｉｇａ－
ｔｉｏｎ；ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ
收稿日期：２０１１—０３—２８
基金项目：国防基础科研项目（Ａ２７２００６０２７５
）０ 引言
２００５年秋天美国波士顿动力公司（Ｂｏｓｔｏｎ
Ｄｙ
ｎａｍｉｃｓ）首次公开其历经十余载所研制的仿生四足机器人ＢｉｇＤｏｇ
，在互连网上引起了全球公众的关注和热议［１－６］
。ＢｉｇＤｏｇ是由美国国防部高级
研究计划署（ＤＡＲＰＡ）提供资金资助，波士顿动力公司承担研制的仿生四足机器人样机，它是仿照人类生活中常见的四足哺乳动物狗的结构，利用现代科技方法制造成的一种机械狗。从Ｂｉｇ－
Ｄｏｇ的相关视频中可以看到，
它具有较高的运动速度、
较大的负载能力和超强的机动性能。即便在复杂的非结构化环境中，仍然能够保持自如的行进状态，令人叹为观止。在ＢｉｇＤｏｇ初始样机实现之后，美国海军陆战队和陆军又追加了更多的资金用于进一步的研发，把ＢｉｇＤｏｇ列为未来战场的装备之一，预计将来可能会出现在实战中。ＢｉｇＤｏｇ机器人最引人注目的就是它出众的
运动能力，多步态行走、小跑、跳跃１ｍ宽的模拟壕沟、爬越３５°的斜坡，能适应山地、丛林、海滩、沼泽、冰面、雪地等复杂危险的地形。目前最大运
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０５浅析ＢｉｇＤｏｇ四足机器人—
——丁良宏 王润孝 冯华山等
动速度为１０ｋｍ／ｈ，预期可达１８ｋｍ／ｈ，完全能够满足步兵分队徒步急行军的速度要求。ＢｉｇＤｏｇ的另一显著优势，是能够承载较大的负荷，标准载荷５０ｋｇ，而且不降低运动性能。ＢｉｇＤｏｇ还有一个更为专业的名字———机械骡（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｍｕｌｅ），意指机器人运输装备骡马化。用于战地环境随同步兵前行，并携带各种后勤补给，这也是美国军方当前对ＢｉｇＤｏｇ的设计使用要求。ＢｉｇＤｏｇ是目前陆地移动机器人领域中为数不多的初具功能化的实用机器人。除了基本的运动能力之外，
各种辅助功能也在逐步完善之中。同时，进一步提升主要性能指标和拓展应用范围的科研工作也在进行中。
在ＢｉｇＤｏｇ问世之后的５年中，其研发团队先后公开发表４篇学术论文，发布了大量的图片和网络视频，使更多的人了解了ＢｉｇＤｏｇ机器人，同时这些资料也成为机器人领域其他科研人员分析ＢｉｇＤｏｇ的主要信息来源。ＢｉｇＤｏｇ四足机器人为什么能表现出如此出众的运动能力，是所有从事机器人研究的人员都十分关注的问题。在已公开的ＢｉｇＤｏｇ的技术资料中，哪些技术点是最为关键的？是形成运动能力最为核心的研究内容？本文结合本课题组四足机器人的研究经历，再通过细致地分析ＢｉｇＤｏｇ的相关技术资料，尝试从专业的角度来解答这些问题。
１ 结构和液压系统
ＢｉｇＤｏｇ四足机器人示意图见图１
。
图１ ＢｉｇＤｏｇ四足机器人
ＢｉｇＤｏｇ运动能力出众，
关键是选择液压执行器作为关节驱动元件，并从根本上改进了传统液压系统所存在的若干缺陷，再把液压执行器与四足机构合理巧妙地整合在一起，形成了ＢｉｇＤｏｇ既强壮有力又不乏灵活柔韧的完美机体。１．１ 结构和运动特性
ＢｉｇＤｏｇ共计有２０个自由度，其中主动驱动自由度为１６个，是主要的力和扭矩输出装置；４个足底自由度是完全被动的，可以提高腿部对地形的适应性。所以，总输出功率１２．５ｋＷ的发动机主要是向１６个液压执行器输出功率。具体到每条腿及髋部，包括髋部横向（侧滑）、纵向（前进）２个自由度，
膝关节纵向自由度，踝关节纵向自由度。
ＢｉｇＤｏｇ的髋部和腿部是实现四足机器人运
动的基本单元体（图２），每个单元体主要包括：髋部、
大腿、小腿、踝肢体、足及４个液压执行器。髋部、大腿、小腿和踝肢体顺次利用３个横向铰接销串联构成腿部的基本框架，
髋部利用１个机身纵向的铰接销与机身相连；
这些销子在髋部和肢体
图２ 髋部和腿部体系结构
运动时充当转轴，是ＢｉｇＤｏｇ实际上的转动关节。４个液压执行器输出端轴套机构分别与髋部、
大腿、
小腿、踝肢体的转动部件相连，执行器的固定端通过螺栓分别与机身、髋部、大腿、小腿连接。ＢｉｇＤｏｇ的大腿粗短，平衡位置接近水平，靠近机身；小腿和踝肢体较为细长，平衡位置位于机身投影面四角；髋部为细长条状物，内置于机身纵向首尾两侧。小腿的液压执行器以踝关节为轴，推拉踝肢体作旋转运动，借助转换轴把直线运动转换为旋转运动；大腿下侧液压执行器以膝关节为轴推拉小腿转动；大腿上侧执行器以髋部和大腿之间的铰接销为轴推拉大腿转动，固定端位于髋部下侧；机身首尾两端上方斜置的执行器以髋部机身铰接销为轴推拉髋部转动。其中，髋部的转动意味着腿部生成横向运动，腿部整体会绕机身转
动，偏离机身纵向，形成侧滑。大腿上侧液压执行器为髋部纵向驱动器，由于活塞杆运动输出端远离转动关节，所以大腿运动摆幅最小，便于大扭矩输出。从构造原理上看，ＢｉｇＤｏｇ的髋部和各肢体工作装置与普通的挖掘机毫无二样，大腿如同动臂，髋部、小腿和踝肢体如同斗杆；主要的差别在于ＢｉｇＤｏｇ机构更加精致、
布局更加紧凑。四足机器人在行走时不论每条腿有多少个自由度，
都可以把它简化为只有一个自由度的直腿，６
０５中国机械工程第２３卷第５期２０１２年３月上半月
图３ 四自由度简化模型
如图３所示。髋部纵向驱动器拉动这条直腿旋转，直腿支撑地面，以支撑点为圆心完成一个由后至前的单摆旋转运动。切向拉力为机器人的机身提供一个前进方向斜上方—水平—斜下方这样变化的力，重心在地面的反作用力下被撑过单摆的最高点，产生位移。这个拉力始终有水平方向的分力，借助地面的反作用力，实现机身的水平运动；还包括一个在重力方向变化的先升后降的分力，导致机身出现起伏的运动特性。直观上，四足机器人在行进过程中，重心始终处于颠簸起伏的状态。这个特性也是所有足类机器人明显区别于其他移动机器人的显著特性，比如轮式、履带等机器人只有在非结构化环境，地面崎岖不平时才能呈现上述特性，而四足机器人在任何可行走路面都呈现这个特性。四足机器人的重心在运动过程中周期性的起伏，意味着行走过程中要全程控制自身的重量，消耗机器人发动机大量的功率，对于纵向行走而言，这种消耗其实是无用功。实际上四足机器人消耗在这方面的无用功要超过用于水平行走的有用功。选择四足这种结构，是希望机器人在行进时可以抬腿越过不适合落足的位置，有选择地下脚，从而到达轮式或者履带式机器人无法行走的地域。因此，只要选择了这种结构，就必须面对重心起伏大的功率消耗问题。除Ｂｉｇ－Ｄｏｇ之外几乎所有的四足机器人在设计时都无法根本解决这个痼疾，即无法提供足够功率来保证除基本水平运动以外的巨大无用功消耗。Ｂｉｇ－Ｄｏｇ采用液压驱动这种强功率输出方式，从根本上解决了这一难题。
ＢｉｇＤｏｇ在行进时为了提高运动速度，同时便于腿部支撑重心越过单摆旋转最高点，机身通常会略微前倾，这样同相位步态后腿需要伸长一些。前腿作为主要的支撑杆，后腿配合前腿支撑重心越过最高点，也防止了同时出现２个主支撑杆可能造成的内耗。前腿的落足点必须超过髋部纵向关节转轴的投影点，锁住膝、踝关节，由髋部纵向驱动器输出扭矩，拉动机身前进；后腿根据速度和地形的情况，落足点可以在转轴投影点的前方、正下方和后方，主要还是髋部纵向驱动器输出扭矩，当腿长需要增大时，膝、踝关节配合输出扭矩伸展关节，更多时候靠力锁住关节，保持姿势。这样看来，ＢｉｇＤｏｇ虽有１６个驱动器，但在如对角步态行走时，驱动系统的功率主要集中在两条支撑腿的髋部纵向驱动器实施输出，后腿的膝、踝关节只有配合伸长腿部时才输出一定的扭矩，迈步腿只需要消耗少量的功率用于摆腿。那么随之而来的问题是，发动机能否在这一时段把全部或者可能最大的功率通过油压的传输输送到这２个驱动器。ＢｉｇＤｏｇ显然是具备这个油压分配输出能力的，它把功率输送到当前主要输出扭矩的驱动器，实现功率的合理分配。ＢｉｇＤｏｇ机载动力系统的高功率密度是很值得分析的，以下的数据对比可以深刻地反映出四足机器人的设计难度。ＢｉｇＤｏｇ目前最大运动速度可以达到１０ｋｍ／ｈ，并且发动机与机体处于分离状态，机体重量低于７０ｋｇ。假设此时发动机按照１２．５ｋＷ最大功率的２／３输出，可知当前的功率密度高达１１９ｋＷ／ｔ。同为陆地移动装置的第三代主战坦克Ｍ１Ａ２的功率密度只需要１７．５ｋＷ／ｔ，而公路最大运动速度可超过７０ｋｍ／ｈ。把这两种移动装置各自极限速度状态进行比对，可知ＢｉｇＤｏｇ的运动效率只有Ｍ１Ａ２履带式坦克的１／４８。从传统移动装置的设计来看，足类这种效率过低的运动执行机构基本不被考虑，这也是四足机器人发展缓慢的一个重要原因。因此，纯机械制造的四足机器人若想获得一个较快的速度和良好的机动性能，大幅度提高发动机的功率密度是一个首要的先决条件。
从动力学角度看，ＢｉｇＤｏｇ的持续纵向运动意味着大功率的不断输出，髋部纵向是主要的功率输出装置；机身调整姿态时，多数在原地或者小范围空间移动，机体消耗的功率降低，主要靠各个关节力输出来支撑机体。当ＢｉｇＤｏｇ遭遇测滑或复杂路面时，髋部横向驱动器及膝关节和踝关节驱动器就要发挥它的作用。这３个部位的关节主要是帮助机器人调整机身姿态，通过多冗余自由度的变化提高机器人适应复杂路面的能力，或者遭遇险情时协助髋部纵向驱动共同实现功率输出，从而移动机身。这３个部位在运动时，关节的转角比较大，相应形成的肢体运动幅度也较大，有利于机器人适应崎岖不平的地面。所以，ＢｉｇＤｏｇ的１６个液压执行器有比较明确的分工。髋部纵向主要负责扭矩的输出，摆幅通常较小，剧烈运动时也可实现较大的摆幅，是核心驱动器；髋部横向主
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浅析ＢｉｇＤｏｇ四足机器人———丁良宏 王润孝 冯华山等
要是协助调整机身姿态，只有在侧滑的情况下，输出大扭矩，摆动幅度比较大，多数时间处于平衡位置；小腿和踝肢体主要负责调整机身姿态，同时因其细长且摆幅大，是机器人纵向迈步和增大步幅的主要实现机构，采用力输出的方式控制，遭遇复杂地形时也会输出扭矩协助髋部纵向驱动器。１．２ 液压系统
在ＢｉｇＤｏｇ推出之前，其实已有许多研究人员想到了利用液压驱动器实现对四足的关节驱动。这是因为，传统的电机驱动无法满足四足机器人快速运动的设计要求。原因有以下几点：①电机的功率相对不足，按照ＢｉｇＤｏｇ的尺寸结构，最多可以选择２００～４００Ｗ的电机，与ＢｉｇＤｏｇ液压平均每个驱动器可达８００Ｗ相比仍显很低，且无法实现总功率的变化分配输出；②电机的工作状态不理想，电机通常只有转速达到一定值才能实现额定功率输出，而足类机器人关节摆幅通常只有３０°～５０°，因而电机始终处于低速、小转角、往复加减速的工作状态，低功率输出且自身内耗太大；③电机的附带装置太多，既占空间又增加重量，增大了机身的设计难度；④需要拖电缆或者背负电池，不利于野外环境的自由行走。电机曾被大量用于足类机器人的驱动，但都远远达不到ＢｉｇＤｏｇ的运动状态。
传统的液压系统也存在若干痼疾，在四足机器人这样的移动装置中使用至少有两点显得尤为突出：①漏油或者密封问题；②冲击载荷导致的漏油问题进一步加剧，同时机械部分的形变会影响活塞杆直线往复运动的精度。四足机器人在运动的过程中，作为一个主要靠机械打造的刚性体，与地面因为撞击而产生可观的冲击载荷，而且载荷的大小和方向都始终呈现无规律的变化，这种工作状态对于传统液压系统而言是完全不能容忍的。ＢｉｇＤｏｇ恰恰克服了这一点，波士顿动力公司所设计和制造的这套液压驱动系统，应该是Ｂｉｇ－Ｄｏｇ机器人前期研究最大的技术突破点。从策略上讲，就是单纯机器人设计无法解决的问题，要回到最基础的研究领域，从基本的液压系统的改进方面下手，进而再把它应用到机器人的驱动实现过程中。
ＢｉｇＤｏｇ的液压驱动系统是由一个变量活塞泵在汽油发动机的驱动下同时对１６个液压执行器实施油压的输出，以达到功率输出的目的。这个环节关键的技术点在于如何实现快速并且变化的油压分配，从而实现力和扭矩的分配和输出，这也是ＢｉｇＤｏｇ的核心技术之一。液压传动有２个特性：液压系统的油压大小取决于外界负载，执行元件的速度取决于液压系统的流量。这２点恰好与四足机器人肢体的负载及关节的转动相对应。发动机根据机器人机体各关节所承载的负荷及转速，控制自身转速进而控制活塞泵的油压输出，适应机器人运动时变化的动力需求，并具有预测的能力。机器人的运动速度越快，或者机体姿态变化越剧烈，相应的油压输出就越大，反之亦然，这也是ＢｉｇＤｏｇ适应地形变化能力强的一个重要原因。ＢｉｇＤｏｇ的液压系统最大油压输出可达２０．６８ＭＰａ（３０００ＰＳＩ），属高压输出。主液压系统油路下接并联的１６个子液压执行器，每个执行器的响应频率达到５００Ｈｚ，可以满足关节快速定位的要求。相较传统的液压装置，ＢｉｇＤｏｇ的液压执行器要小巧精致得多，满足了四足机器人驱动器个头小、力量大的设计要求。
图４所示是一个基本的液压执行元件，执行器右端是一个轴套机构，活塞杆是直线往复运动，而机器人的肢体是旋转运动，所以运动需要转换。以铰接销为转轴，活塞杆推拉肢体，执行器所在肢体的框架充当铰杆，形成运动转换。活塞杆外侧另有２根辅助杆，同步往复运动，分担活塞杆承受的冲击载荷。轴套机构和关节转轴由于载荷大，易磨损，对材质的选择要求很高。液压执行器把主液压系统油路的油压引入到子系统中，根据所在关节的载荷需求，具有航天品质的２级电液伺服阀调整本单元的油压和流量输出，实现力和扭矩的变化输出，并可双向输出
。
图４ 液压执行器
ＢｉｇＤｏｇ机器人的运动效率主要取决于３个方面：运动方式造成的内耗、机械结构的传动效率和控制造成的内耗。运动方式的内耗包括重心的起伏、腿部相对机身的摆动等。机械部分主要包括１６个主动关节和液压执行器内部及输出端运动转换机构。液压执行器采用低摩擦的液压动力密封器件提高缸体的传动效率；其余两部分取决于机械结构的加工和装配精度，以及轴、销、轴承等元件的材质和加工精度。此外，髋部和腿部的基本框架对加工的一致性要求也很高，最大程度降低了机体尺寸误差对运动造成的影响。
１．３ 结构仿生学
机器人学是仿生学研究的一个主要分支。四
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足机器人的３个基本系统———结构、运动控制和导航，无一例外都与动物（人）仿生学的研究有着密切的关系。ＢｉｇＤｏｇ的前期研究工作主要集中在结构（驱动）的设计和运动的控制上，这也是实现机器人基本运动能力的２个主要方面。波士顿动力公司在哈佛大学仿生研究成果基础之上，把液压驱动与四足机器人的结构比较理想地整合在一起，也就造就了目前的ＢｉｇＤｏｇ四足机器人。ＢｉｇＤｏｇ除了有较强的刚性以外，为了减少冲击载荷对整个机身的影响，必须增加减震系统，提高机器人的柔韧性，因此，ＢｉｇＤｏｇ踝关节以下部分安装了弹簧减震系统。四足动物本身的肌体结构是非常复杂的，除了骨骼、肌肉之外，还有韧带、肌腱、跟腱等增加柔韧性和灵活性的器官。这些功能器官目前还无法在机器人身上真正意义地实现，即使关节部位往往也很难模仿，如动物和人的髋关节为多轴性关节，ＢｉｇＤｏｇ采用常规技术无法实现，只能把髋关节的横向和纵向自由度分开实现。所以，人类只能尽量地模仿四足动物的肌体构造，实现四足机器人的运动功能。
１．４ 小结
ＢｉｇＤｏｇ的机械结构设计和驱动的选择，是实现运动的基本平台。只有先解决了这２个问题，后续的运动控制和导航的研究才能更有针对性，并且通过样机展现出来。
２ 运动控制
ＢｉｇＤｏｇ的运动控制取决于其特殊的机体构造。控制系统同时对１６个液压执行器进行控制，多自由度耦合联动造成了肢体的千变万化，形成了机器人的各种动作姿势。这也是四足机器人对地形适应能力强的根本原因。但是，多冗余度变换复杂，增大了控制的难度。同时，四足的支撑结构不稳定，重心位置偏高，易发生偏移，运动控制相比轮式、履带式机器人，要困难得多。
四足机器人在运动过程中既要保证能够快速行进，同时还要控制重心的位置，保持机身的相对平稳。ＢｉｇＤｏｇ运动控制的核心问题就是控制机体的平衡，建立机体与地形之间静态或动态的平衡系统，机器人的站立、行走、小跑以及各种运动状态间的相互转换，都必须保持平衡。
建立四足机器人的运动平衡主要考虑３个方面的因素，即自身姿态、地形状况和运动状况。ＢｉｇＤｏｇ的运动控制包括姿态感知、地形感知和运动生成。前２步是在运动中寻找机体与地面之间的平衡状态，第３步是通过控制实现这个平衡。２．１ 姿态和地形的感知
姿态和地形的感知主要是借助各种传感器来完成，ＢｉｇＤｏｇ总共携带至少７０个各类传感器单元，大多数用来检测自身姿态和内部各机构组成的状态参数。四足机器人的多冗余度必须依靠大量的传感器来感知机身和肢体部分参数的变化，以此为依据作为运动控制的基本条件。
姿态感知包括机身和肢体两部分的状态检测。ＩＭＵ负责检测机身３个角度的变化和３个线加速度的变化，是机身状态检测的主要手段。１６个主动自由度的角度变化由关节编码器来完成。各个关节的负载由测压元件来检测。
地形感知主要包括踝肢体测压元件配合各个关节编码器感知，以及立体视觉装置感知。目前主要是通过力大小的变化再配合关节转动的角度来感应地形的变化。该方法是被动式，足底先接触地面再判断地形，对于简单的地形可以应对，但是对于复杂地面，需要避开某些深坑，选择落足点时，未来主要靠立体视觉。
此外，发动机和液压系统的检测也是运动控制必须考虑的。发动机转速和载荷要在预测和实际输出之间不断调整。液压系统的检测包括油温、油压和流量的检测等。
２．２ 控制实施
ＢｉｇＤｏｇ作为移动机器人，纵向的持续行走、跑等功能是研究追求的目标，由于地形的影响，机身的姿态需要经常调整，才能确保纵向运动的平稳性和连贯性。故ＢｉｇＤｏｇ的控制研究也主要围绕这两方面展开。
２．２．１ 行走控制和步态调整算法
ＢｉｇＤｏｇ的基本行走控制采用图５所示的流程实现。控制系统以髋部和腿部的单元体为单位，通过虚拟环境计算求出每条腿所承受的载荷和关节需要输出的扭矩，检测运动效果并反馈回虚拟部分，更新频率为２００Ｈｚ。首先，根据期望的行进速度，规划腿部运动到落足点过程的轨迹；其
图５ 基本行走控制框图
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次，在虚拟环境下，利用腿部当前的关节转角和转速作为正向运动学参数，与期望的规划进行比对，ＰＤ伺服不断修正腿部各关节应输出的力，得到虚拟的腿部状态模型；最后，把虚拟求得的各个关节所需的扭矩指令发送至驱动系统，实现行走，并检测关节转角和转速。此外，虚拟过程通过状态机获得腿部状态，步态调整算法协调４条腿的位置，对步态进行修正，再把反馈信息发送回轨迹生成单元。同时步态调整算法负责腿之间的通讯，腿的初始状态转换为不同的稳定的四足行走步态，如对角、同侧和奔跑等。临近腿运动时避免运动区域重合，防止腿部发生碰撞，也包括摆动腿与支撑腿之间发生碰撞。步态调整算法还要降低机体运动的内耗程度，当迈步腿落地之后，支撑腿要及时离地，防止同时发力而形成类似于人腿劈叉这种不利于连续行走的动作。
ＢｉｇＤｏｇ持续的纵向运动都是借助以上控制方法实现的。ＢｉｇＤｏｇ在平整地面直线运动时，可实现对角步态的跑动，速度在短时间内由零加速到８ｋｍ／ｈ。整个过程加速均匀，机身纵向和水平都保持平稳，腿部动作协调连贯；在速度达到最大时，后腿伸长协助前腿支撑身体的动作非常明显。行走或慢跑时，为了减少重心起伏无用功的消耗，可以减小步幅加快频率，使机身的重心尽可能在支撑摆的最高点附近的高度运动。但是随着速度的提升，腿的步幅需要加大，重心起伏加剧；腿的摆动频率加大，摆腿消耗的功率增加；机械部分传动的消耗也增大。这几点不利的因素都限制了ＢｉｇＤｏｇ的速度进一步提升。
按照传统的足类机器人设计思路，ＢｉｇＤｏｇ除了运动学模型之外应该还有一个动力学模型，但是在相关论文中并未出现。结合ＢｉｇＤｏｇ液压驱动系统以及电机的控制方法，对ＢｉｇＤｏｇ在动力学方面作如下的推断。充分利用液压传动的特性，把动力学的分析和计算转移到液压系统的控制中完成。液压系统的力和扭矩输出主要取决于终端执行器的负载，根据负载的大小和变化，调整发动机的转速，实现对液压总路油压的控制，再通过电液伺服阀控制进入单个执行器的油压、流量和流速等参数，实现根据负载的变化对应输出与之平衡的力和扭矩，还包括加速和减速的情况。
利用电机控制四足机器人，需要预测下一时段各个关节的负载，设定电机的输出，但这个输出无法达到液压快速实现与负载平衡的输出效果。电机的输出或大于终端的负载，或小于终端的负载，只在少数情况下两者刚好平衡。这就是常见电机驱动足类机器人在行走时，机身多数会出现晃动的原因，即受力不平衡。而ＢｉｇＤｏｇ在运动过程中，除非遭受突然的外力作用，大多数情况下都能处于动态的平衡中，关键还是它的液压系统的适应能力发挥了决定性的作用。当ＢｉｇＤｏｇ加速时，输出的扭矩需要大于当前的负载，这是利用了伺服阀的控制流速的功能。当某个执行器所在肢体载荷突然增大，也可利用伺服阀的增压功能，实现在执行器中油压大于总路油压的性能。因此，传统的动力学模型对于ＢｉｇＤｏｇ而言，大部分的工作是由液压系统的控制来完成的。２．２．２ 姿态算法
ＢｉｇＤｏｇ控制机身姿态主要是借助力的输出控制腿部肢体的姿势，使机体与地形之间保持平衡状态。主要包括两方面：一是各条腿的载荷尽可能均匀，把机身的重量平均分配到４条腿；二是机身的高度和姿势需要调整，重心尽可能位于机身投影面的几何中心，这个过程仍然需要腿部的运动来实现。具体地讲，姿态算法调整地面反作用力在腿部各肢节的分布，使各条腿所承受的竖直方向的载荷尽可能相等，并指向髋部，降低各个髋部的载荷，每个髋部驱动输出尽可能均匀。这样可以防止载荷集中于某条腿或某一关节，造成机身运动时失去平衡。当地形发生明显变化时，机身的高度和姿势就需要重新调整，防止重心向机身边缘倾斜，造成机身纵向或横向的倾翻，这个过程需要借助地形感知共同实现。利用测压元件和关节编码器来判断足底是否与地面接触，再结合关节角度的连续变化值，可以估测地形的崎岖程度。借助预测信息，姿态算法控制腿与崎岖的地面逐渐适应。姿态控制算法通过改变机身偏航、俯仰、横滚、高度等参数，使机器人适应地形的变化，协调一致。这样即使不借助视觉等高级传感器，只利用测压元件和关节编码器这样简单的传感器，也可以使ＢｉｇＤｏｇ具备较强的适应复杂路面的能力。处于斜坡行走时，注意调整机身高度和姿势，适应坡度的变化；上坡时机身前倾，下坡时机身后倾，斜坡等高线行走时机身内侧倾斜。
足底打滑时，意味着支撑腿与地面的反作用力突然降低，这时如果支撑腿的髋部驱动器仍然保持原有的扭矩输出状态，会造成机身失控，加剧机身倾斜程度。ＢｉｇＤｏｇ采用牵引控制（ｔｒａｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ）系统，利用测压元件及时发现支撑腿的受力变化，迅速降低髋部扭矩输出，调整小腿和踝肢体的摆动，进入姿态调整过程，恢复平稳状态。此外，陡峭地形和崎岖程度高的地形，也要利用测压
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元件和关节编码器预测，作为牵引控制系统的感知条件。
侧滑是机器人纵向运动时，机身突然遭受横向的外力，造成机身横向倾斜，髋部横向驱动器输出扭矩，腿部横向侧摆，形成了侧向滑步。线加速度计测出机身横向的加速度，支撑腿预测机身的横向速度，外侧腿迅速向倾斜方向摆动，根据速度和加速度预测摆腿的幅度。若外力过大，则要连续地走交叉步，直到侧向的速度降为零。这个情景通常只出现在纵向行走的过程中，由于左前腿和右前腿的步态相位刚好错开，降低了左前腿和右前腿横向干涉发生碰撞的可能性，后腿亦然。
姿态控制算法的核心点是保持机器人的平衡状态，行走控制和步态算法必须遵守这个前提条件。地形复杂时，优先考虑姿态的控制，其次是步态及运动速度。遭遇险情时，及时降低行走速度，控制系统利用驱动系统的快速响应能力，以调整机身姿态作为当前主要的控制输出，恢复稳定状态。只有在较平坦地形行走时，可降低姿态控制的权重，把提高行走速度作为主要的功能实现。所以，ＢｉｇＤｏｇ的高速行走、小跑和跳跃等动作都是在平整地面完成的，而冰面打滑、机身横向侧滑都是在低行走速度下完成的。
２．３ 典型运动场景分析
２．３．１ 冰面打滑
运动控制与机械结构是紧密相联的，良好的运动控制性能只有在能力强的样机平台上才能充分地展示出来。在ＢｉｇＤｏｇ所有视频中，负载状态下在冰面打滑摔倒后经反复调整姿态最终重新站立这一段，展现了ＢｉｇＤｏｇ运动能力最佳的一面。ＢｉｇＤｏｇ机器人的姿态和地形快速感知、运动控制算法快速生成、牵引控制快速调整扭矩输出、液压传输快速响应、液压大功率输出、机体结构刚柔相济等优点在极短时间内全部呈现出来。因此分析这一段机器人所经历的变化过程，可以更好地了解ＢｉｇＤｏｇ机器人运动的实现过程。过程分析如下：
（１）进入冰面后，运动速度过快导致冰面无法提供足够的摩擦力而足底打滑，造成机身大幅度倾斜，机器人摔倒。
（２）ＩＭＵ、关节编码器、测压元件检测获取机身倾斜的角度、各肢体角度及载荷，获取当前的姿态信息。
（３）牵引控制系统利用感知的信息，降低髋部扭矩输出，防止机身进一步倾斜。
（４）运动控制系统快速计算各个驱动器应输出的扭矩、关节转动的角度，求出恢复平稳站立状态所需的参数值。
（５）运动控制指令发送至驱动系统，发动机通过液压泵把油压快速分配传输至各个驱动单元。
（６）１６个液压执行器根据各自所需，控制各个关节旋转，驱动肢体运动，机身试图重新恢复站立平稳状态；
（７）若再次失稳，回到步骤（２），如此反复直到站稳为止。
以上过程都是在非常短的时间内顺次完成的，且多次循环。可以看出整个机体的快速响应能力非常之高，但最关键的还是驱动系统强大的力和扭矩输出。在这个打滑失稳的过程中，机器人极易倒扣而失败，各个液压驱动器必须提供足够的力和扭矩输出，才能保证各部分肢体能够快速地运动，在机器人进一步倾斜之前重新恢复平衡，实现运动控制的目标。针对可能出现的类似险情，ＢｉｇＤｏｇ团队已把机器人的自翻正能力列为下一步研究的重点，即使机器人发生倒扣也可以自调整重新站立，大大增强了ＢｉｇＤｏｇ的野外生存能力。
２．３．２ 跳跃
ＢｉｇＤｏｇ跳跃１ｍ宽模拟壕沟的运动过程可分为三阶段，即助跑、起跳和落地。首先，跳跃需要较高的水平速度，ＢｉｇＤｏｇ采用奔跑步态，前后腿为同相位步态，既利于加速，又便于跳跃，无需步态转换。后腿发力，伸直，离地，机身前倾；同时前腿逐渐伸直，跟随后腿离地，机身在空中调整水平状态。机身在空中滑行一段距离后，机身后仰，后腿先着地，前腿随后落地。起跳之前一步，有一个蓄势待发的过程，后腿离地之后，前腿稍微延时片刻，借助机身前倾更大的前冲力，离地腾空；机身由前倾急剧变化为后仰，后腿落到前腿起跳位置，发力，快速离地腾空；腿部在空中收紧，防止刮擦，机身借助惯性在空中滑行，同时调整俯仰变化转为水平状态。机器人腾空到最高点后，机身开始前倾，前腿舒展，准备着陆。前腿与地面接触以后，稍做停顿，又快速离地，缓解重力方向的冲击，机身前倾的俯仰角历经一个起伏的变化过程，同时向前滑行，后腿落在前腿的首次着陆处，机身转为水平，恢复奔跑状态。这个奔跑跳跃的连贯动作充分展现了ＢｉｇＤｏｇ大腿强劲的爆发力，液压执行器的大扭矩输出发挥了关键的作用；对比一般行走，髋部纵向执行器输出行程增大，大腿摆幅相应加大，以获取地面更大的反弹力。控制系统根据动物仿生学运动的变化过程，及时调整各个
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浅析ＢｉｇＤｏｇ四足机器人———丁良宏 王润孝 冯华山等
肢体在运动中的姿态变化，以保证动作的连贯性，同时降低冲击载荷对机体特别是腿部的冲击。
３ 导航
２００５年之前，导航并不是波士顿动力公司研究的重点，最初的导航系统是由ＮＡＳＡ－ＪＰＬ提供的，也就是ＭＥＲ火星探测器上所采用的以立体视觉为主的导航系统。随着ＢｉｇＤｏｇ结构和运动控制系统的不断完善，导航的重要性也越发显得突出。ＢｉｇＤｏｇ是面向野外非结构化或者战地环境而设计的，所以机器人的环境识别和自身定位是必需要解决的问题。
实际使用中，ＢｉｇＤｏｇ采用了人员前方引导，机器人随后跟进的策略实现。对路面的感知和自身的定位由机器人自身完成。因而，ＢｉｇＤｏｇ具有自主运动能力，采用自主导航外加人工引导的方式实施运动。用于导航的传感器主要包括：ＧＰＳ、ＳＩＣＫ－ＬＩＤＡＲ平面激光扫描仪、ＩＭＵ、Ｐｏｉｎｔ－Ｇｒｅｙ立体视觉相机等４种。ＧＰＳ作为美国军事领域最通用的全局导航定位系统是必不可少的。ＬＩＤＡＲ平面激光扫描仪用于机器人追踪引导人员，实现跟踪的导航方式，这种用法也是ＢｉｇＤｏｇ的新创意。ＩＭＵ测量机身３个角度和３个线加速度的变化量，用于局部定位，ＢｉｇＤｏｇ因为速度快，是移动机器人领域为数不多的利用了线加速度计的机器人。立体视觉是ＢｉｇＤｏｇ所有导航传感器中最为重要的组成部分，担负着检测机身位姿变化和路面识别２个功能，之前在ＭＥＲ火星探测器上已经成功实现这两点。
３．１ 立体视觉［７?８］
立体视觉目前在机器人非结构化环境的导航研究主要包括３个部分：测量障碍物距离、视觉测程、构建环境地图，其中测程是三者的核心。Ｂｉｇ－Ｄｏｇ的视觉导航研究目前主要是围绕测程而展开。视觉测程是利用追踪前后帧图像中同一特征点的过程，来获取机器人运动前后的变化量，也就是估测机身空间６个自由度的变化量来实现机器人的局部定位。此外，针对四足机器人的运动特性，又增加了地形重建的功能，便于选择落足点，防止路面存在深坑等可能会对机器人造成的伤害。视觉测程可弥补陀螺仪零点漂移对角度测量的影响，以及关节编码器对位置变化测量的困难。所以对于ＢｉｇＤｏｇ机器人而言，立体视觉兼顾了障碍物测距、地形感知和还原，以及位姿检测３个方面。３．２ 全自主导航
人工引导的方式实质仍旧是遥控导航，导航最终环节———路径规划需要人工协助完成。Ｂｉｇ－Ｄｏｇ已开始探索完全脱离人工干预、自主实现环境感知和路径规划的全自主导航研究。当前主要研究内容包括：自主识别环境信息，规划机器人躲避和绕过障碍物的路径，步态控制追踪已规划的路径。激光和视觉传感器检测出障碍物的位置和距离，并一直追踪障碍物的位置变化；构建消耗地图，标出障碍物的位置，利用消耗地图规划出机器人到达阶段目标的路径，机器人与障碍物之间要留出安全距离；路径跟踪算法负责协调控制系统，生成适当的步态算法，控制机器人的速度和位移，使机器人按照规划好的路径运动。
立体视觉装置全程提供机器人正前方４ｍ×４ｍ范围的图像信息，利用测量景深的功能，还原三维地形图，作为基本的环境地图，同时检测低位置的障碍物。立体视觉、关节编码器和ＩＭＵ共同实现机器人位姿变化的检测，即空间６个自由度的变化量，实现局部定位。激光扫描雷达扫描机身水平高度范围内的场景，利用点云分割算法剔除误扫描的地面信息，这样可以识别机身高度范围的障碍物，并且随着机器人移动在视野范围之内始终追踪这些障碍物。
路径规划包括４个部分：①记忆障碍物的位置；②生成消耗地图；③稳定路径；④平滑路径。记忆系统随着机器人视野的变化，更新记忆存储中的障碍物，增新的同时剔除无用的，对于视野外仍然有利用价值的障碍物需要保留。构建机器人周围的二维栅格地图，包括机身后侧刚经过的环境，与路径规划算法同步迭代更新；计算出每个栅格机器人穿越的消耗值，当某一值较大而周围的值又明显较小时，可确定为障碍物或者目标。采取３项措施确保路径规划的生成稳定可靠：利用上一步规划的机器人投影位置衔接下一步的规划，跳过当前步，防止机器人横向徘徊；为确保路径跟随的连续性，利用前２．５ｓ至上一步规划的完整路径预测下一步的路径规划，防止地面干扰腿部造成的机身航向偏移对路径规划的影响；利用一段较长的走过的规划路径，可以缩减生成新的路径规划所用时间，简单环境可行。采用规整的栅格生成的路径通常在连接处会有方向突变，造成方向控制的紊乱；连接处的轨迹需要曲线光滑，同时每次规划再粗略地使用这个光滑连接，可以缩减下一步规划时间，最后生成平直光顺的路径轨迹。事实上，以上路径规划的过程与人或者动
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物遭遇相同场景时采取的规划思路非常相似。导航规划实质上是利用仿生学，把与人或者动物相似的连续路径规划思维过程采用技术的方法重现，应用到机器人之上。
ＢｉｇＤｏｇ是目前非结构化环境移动机器人领
域中，少数敢于尝试在树林这样的环境中采用全自主导航方式实施运动的机器人。尽管在２６次实验中取得了２３次成功的良好结果，但这并不意味着这种导航方式已完全满足ＢｉｇＤｏｇ的实用要求。机器人的全自主导航运动是人类研究机器人的终极目标，
但在目前的研究框架内，要达到人类智能水准的导航能力是很难实现的。原因很简单，机器人的大脑，即计算机及相关程序，还无法达到人类和动物的大脑对环境识别和决策规划的高度。虽然视觉装置可以采集图像信息，但对于图像的分析和处理还是要依靠图像处理算法，而图像处理技术目前仍处于发展阶段。此外，最关键的一点，是人和动物具备对视觉场景关键信息瞬间识别和判断的能力，
而机器人目前还远达不到这样的高度。当然，随着人工智能和计算机技术的快速发展，
以及人类对于自身大脑的结构和功能的认识，机器人的智能水平还是可以慢慢提高的。目前主要还是以大量的环境实验为基础，不断修改导航系统的各种算法，提高对环境细节的识别能力，积累更多的先验信息，来应对一些常见的环境识别和路径规划问题。图６ ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ四足机器人
３．３ ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ的导航研究
ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ也是波士顿动力公司所开发的四足机器人，其实质是ＢｉｇＤｏｇ实验室环境下的替代版，提供给美国高校用于ＢｉｇＤｏｇ的导航和运动控制研究。当前主要的研究内容是复杂环境地形的感知和运动控制研究，斯坦福大学、麻省理工学院等高校目前正在承担这项研究
［９－１１］
。从图６
可看出ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ在实验环境下所遭遇的地形复杂程度远超过ＢｉｇＤｏｇ实际所面临的环境难度。利用立体视觉精确地还原三维地形，把地形信息作为已知条件，再引入学习机制，ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ经过反复实验，可以逐步适应这样的环境条件，选择最佳的行走路径。在实验室里模拟更加困难的环境
来考验机器人，从实验中找到解决的方法，再应用到ＢｉｇＤｏｇ的实物样机中，可以大幅提高研究的效率。实现阶梯蹦跳、走梅花桩等对运动控制和地形识别能力要求极高的复杂动作，是ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ
当前最主要的研究目标，已取得阶段性进展［
１２－１４］
。３．４ 小结
非结构化环境移动机器人的导航研究是一项极具挑战性的工作。理想化的导航系统是以不变应万变，以有限的算法处理任意变化的环境特征；目前的导航现状是以万变应不变，不断地改进算法和补充先验信息，但也只能处理某一静态的特定场景，局限性很大。因此，非结构化环境的导航研究首先必须明确环境，
然后针对该环境的结构特征开展算法的研究。ＢｉｇＤｏｇ的导航研究特别是全自主导航部分，对于提升这个领域的研究水平具有很好的推动作用。
４ 建议
国内四足机器人的研究大多采用电机作为驱
动装置，
造成机器人行走速度较慢、机动性能差，无法达到ＢｉｇＤｏｇ那样的运动状态，也制约了控制和导航的进一步研究。从ＢｉｇＤｏｇ的分析中可以看出，只有从根本的驱动方式改进上着手，足类机器人的运动能力才能得到大幅度的提高。四足机器人的基本研究思路可归纳为４点：驱动、结构、运动控制和导航。综合前面的分析，提出如下建议。
（１
）驱动和结构。采用高功率密度的驱动装置，
如液压系统，利用高性能伺服装置实现力和扭矩平稳快速输出；设计精致紧凑的仿生机体结构，以减轻质量，关节部位兼顾强度和灵活性，提高传动效率；设置缓冲减震装置，增强柔韧性。（２）控制。提高控制系统与外部环境的柔顺性，增强机器人适应复杂地形的能力；针对复杂地形和险情遭遇引入牵引控制，设置应急动作程序；采用状态机配合步态控制生成算法。
（３）导航。建立以立体视觉为核心的导航系统，结合激光、ＩＭＵ、ＧＰＳ共同实现环境的感知和机身定位；采用视觉测程、构建三维环境地图等方法，针对非结构化环境特征设计算法体系；由自主导航配合人工导航逐步向全自主导航拓展。
以上建议的中心仍然是机体结构及驱动装置的设计和实现，只有拥有一基本运动能力强的样机平台，四足机器人的研究才能得以全面展开。
５ 结语
本文尝试从专业角度解读ＢｉｇＤｏｇ四足机器
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１５浅析ＢｉｇＤｏｇ四足机器人—
——丁良宏 王润孝 冯华山等
人，围绕ＢｉｇＤｏｇ的核心技术进行分析，试图找出其运动能力超强的原因。目的是为国产四足机器人的研究提供一些参考和建议。ＢｉｇＤｏｇ机器人实际研究所包含的信息量远远超过本文所提到的几点。由于ＢｉｇＤｏｇ早已被美国军方立项，即将列装，所以一些关键技术在相关论文中会有所保留。随着国内在四足领域研究的深入，相信会逐步掌握四足机器人的研究方法。
ＢｉｇＤｏｇ的设计实现从总体上看并没有超出常规的技术范畴，所采用的各种技术方法在以往的机器人或者其他领域都曾出现过。针对四足机器人的特性，个别技术实现了较大的突破和创新，还有些技术直接引用了其他领域的尖端成果。综上所述，ＢｉｇＤｏｇ的成功之处可概括为以下三点：①单项技术优势明显；②系统整合高效合理；③细节处理精益求精。
ＢｉｇＤｏｇ作为当今世界最先进的四足机器人，虽然表现出很强的运动能力和遥遥领先于其他足类机器人的各项性能指标，但其与真正的四足哺乳动物相比，ＢｉｇＤｏｇ的研究还有很长的路要走。比如速度还有待大幅度地提高，实现奔跑以后，还要具备在高速跑动中变向的能力，此外，复杂环境全自主导航运动的实现，也是所面临的技术瓶颈之一。
现代科技在过去的百年中得到了高速的发展，人类先后发明创造了如坦克、喷气式飞机和核航母等先进的移动装置，但真正与人类生活关系密切的四足哺乳动物的仿生研究制造才刚刚进入实质性的阶段。四足动物复杂的肌体构造，若用现代科技实现完全意义上的仿生还原，人类未来仍旧面临着巨大的技术挑战。
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（编辑 何成根）
作者简介：丁良宏，男，１９７８年生。西北工业大学机电学院博士研究生。主要研究方向为四足机器人立体视觉导航、视觉测程。发表论文２篇。王润孝，男，１９５７年生。西北工业大学副校长、教授。冯华山，男，１９７５年生。西北工业大学机电学院助教、博士。李 军，男，１９８１年生。西北工业大学机电学院博士研究生。
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中国机械工程第２３卷第５期２０１２年３月上半月
关于机器人的发展历史
关于机器人的发展历史 库卡公司最早于1898年由Johann Josef Keller和Jakob Knappich在奥格斯堡建立。最初主要专注于室内及城市照明。但与此不久公司就涉足至其它领域（焊接工具及设备，大型容器），1966年公司成为欧洲市政车辆的市场领导者。1973年公司研发了其名为FAMULUS第一台工业机器人。当时库卡公司属Quandt集团旗下，而Quandt家族则于1980年退出。公司成为一个上市公司。1995年库卡机器人技术脱离库卡焊接及机器人有限公司独立成立有限公司，与库卡焊接设备有限公司（即后来的库卡系统有限公司），同属属于库卡股分公司（前身IWKA集团）。现今库卡专注于向工业生产过程提供先进的自动化解决方案。 库卡机器人公司目前全球拥有3150名员工（2012年9月30日数据），其总部在德国奥格斯堡。公司主要客户来自汽车制造领域，但在其他工业领域的运用也越来越广泛。 重要发展 1971 –为Daimler-Benz建成欧洲第一台焊接传输线。 1973 –库卡建成全球第一台六轴机电驱动的工业机器人FAMULUS。1976 – IR 6/60 –全新的机器人类型六轴机电驱动带角手。 1989 –新一代工业机器人诞生–无刷电机的使用降低了维护成本提高了技术可用性。 2007 –库卡…titan“ - 当时最强大的6轴工业机器人，被计入吉尼斯纪录。2010 – KR QUANTEC系列工业机器人贴补了机器人家庭中载重90-300公斤工作范围达3100毫米这一部分的空白。 2012 –最新小型机器人系列KR AGILUS上市。 ABB是全球领先的电力和自动化集团，总部设在瑞士。ABB集团业务遍布全球100多个国家，拥有120,000名员工。在中国的13,000名员工，在60 个不同城市服务于26家本地企业和38个销售与服务分公司。 ABB致力于研发、生产机器人已有30多年的历史并且拥有全球160000多套机器人的安装经验。作为工业机器人的先行者以及世界领先的机器人制造厂商，在瑞典、挪威和中国等地设有机器人研发、制造和销售基地。ABB
机器人控制技术基础实验报告
华北电力大学 实验报告 | | 实验名称:机器人控制技术基础 课程名称：机器人控制技术基础 实验人：张钰信安1601 201609040126 李童能化1601 201605040111 韩翔宇能化1601 201605040104 成绩： 指导教师：林永君、房静 实验日期： 2016年3月4日-3月26日 华北电力大学工程训练中心
第一部分：单片机开发板 实验一：流水灯实验 实验目的：通过此实验，初步掌握单片机的 IO 口的基本操作。 实验内容：控制接在 P0.0上的 8个LED L0—L8 依次点亮，如此循环。 硬件说明： 根据流水灯的硬件连接，我们发现只有单片机的IO口输出为低电平时LED灯才会被点亮，我们先给P0口设定好初值，只让其点亮一盏灯，然后用左右移函数即可依次点亮其他的灯。 源程序如下： #include
led_1=1; led_2=0; display_ms(10); led_2=1; led_3=0; display_ms(10); led_3=1; led_4=0; display_ms(10); led_4=1; led_5=0; display_ms(10); led_5=1; led_6=0; display_ms(10); led_6=1; led_7=0; display_ms(10); led_7=1; led_8=0; display_ms(10); led_8=1; } } 第二部分：机器人小车 内容简介：机器人小车完成如图规定的赛道，从规定的起点开始,记录完成赛道一圈的时间。必须在30秒之内完成，超时无效。其中当小车整体都在赛道外时停止比赛，视为犯规，小车不规定运动方向,顺时针和逆时针都可以采用，但都从规定的起点开始记录时间。 作品优点及应用前景： 单片机可靠性高，编程简单单片机执行一条指令的时间是μs级，执行一个扫描周期的时间为几ms乃至几十ms。相对于电器的动作时间而言，扫描周期是
最新西华大学机器人创新设计实验报告(工业机械手模拟仿真)
实验报告 （理工类） 课程名称: 机器人创新实验 课程代码: 6003199 学院(直属系): 机械学院机械设计制造系 年级/专业/班: 2010级机制3班 学生姓名: 学号: 实验总成绩: 任课教师: 李炜 开课学院: 机械工程与自动化学院 实验中心名称: 机械工程基础实验中心
一、设计题目 工业机器人设计及仿真分析 二、成员分工：（5分） 三、设计方案：（整个系统工作原理和设计）（20分） 1、功能分析 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 本次我们小组所设计的工业机器人主要用来完成以下任务： （1）、完成工业生产上主要焊接任务； （2）、能够在上产中完成油漆、染料等喷涂工作； （3）、完成加工工件的夹持、送料与转位任务； （5）、对复杂的曲线曲面类零件加工；（机械手式数控加工机床，如英国DELCAM公司所提供的风力发电机叶片加工方案，起辅助软体为powermill，本身为DELCAM公司出品）
四足机器人研究现状及其展望
四足步行机器人研究现状及展望 (郑州轻工业学院机电工程学院河南郑州) 摘要：文章对国内外四足步行机器人研究现状进行了综述，归纳分析了四足机器人质心距离测量系统研究的关键技术，并展望了四足机器人的发展趋势。 关键词：四足步行机器人；研究现状；关键技术；发展趋势 引言：目前，常见的步行机器人以两足式、四足式、六足式应用较多。其中，四足步行机器人机构简单且灵活，承载能力强、稳定性好，在抢险救灾、探险、娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景，其研制工作一直受到国内外的重视。1国内外研究四足步行机器人的历史和现状 20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了 20 世纪 80 年代，现代四足步行机器人的研制工作进入了广泛开展的阶段。 世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性，但其缺点是，该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式[1]。 20 世纪 80、90 年代最具代表性的四足步行机器人是日本 Shigeo Hirose 实验室研制的 TITAN 系列。1981～1984年Hirose教授研制成功脚部装有传感和信号处理系统的TITAN-III[2]。它的脚底部由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应静态步行。 TITAN-Ⅵ[3]机器人采用新型的直动型腿机构，避免了上楼梯过程中各腿间的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。
工业机器人的发展史
郑州领航机器人有限公司 工业机器人发展史 工业机器人最早产生于美国，从发展上来看，大至可以分为三代：第一代机器人，也称作示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的机械。它通过示教存储程序和信息，工作时再将信息重现，并发出指令，这样机器人就可以重复示教时的结果，再现出示教时的动作。例如：汽车的点焊机器人，只要把点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道。因此，示教再现型机器人也就存在着很多的缺陷。为解决上述问题，在 20 世纪 70 年代后期，人们开始第二代机器人的研究。 第二代机器人，也称作带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是模拟人某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比。有了各种各样的感觉，那么在机器人进行实际工作时，它可以通过感觉功能去感知环境与自身的状况，也形成了机器人本身与环境的协调。尤其是 20 世纪 60 年代末，传感器技术得到了飞速的发展与成熟，这就为带感觉机器人发展和应用带来了契机。在此基础上，第二代机器人的发展与成熟也为第三代机器人的发展打下了基础。 第三代机器人，也是我们机器人学中所追求的一个理想的最高级阶段，叫智能机器人。从理论上来说，智能机器人是一种带有思维能
力的机器人，能根据给定的任务去自主的设定完成工作的流程，并不需要人在实现其过程中进行干预。由于受到技术和其它方面的约束，智能机器人目前的发展还是相对的，只是局部的符合这种智能的概念和含义，真正完整意义的这种智能机器人实际上并不存在。 在工业机器人的发展过程中有以下一些里程碑，它们在机器人的发展史上具有重大的意义： 1959 年德沃尔与美国发明家约瑟夫.英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂—Unimation 公司。 1962 年美国 AMF 公司生产出“VERSTRAN”(万能搬运 )，与unimation 公司生产的 Unimate 一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人的研究热潮。 1962 一 1963 年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器上安装各种各样的传感器，包括 1961 年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼 1962 年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡 1963 年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在 1965 年帮助 MIT 推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。 1965 年约翰.霍普金斯大学应用物理实验室研制出 Beast 机器人。 Beast 已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20 世纪 60 年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第
机器人实验报告
智能机器人实验报告1 学院：化学与材料科学学院 学号： 2015100749 姓名：朱巧妤 评阅人：评阅时间：
实验1 电驱动与控制实验 （一）实验目的 熟悉和掌握机器人开发环境使用，超声传感器、碰撞传感器、温度传感器、颜色传感器等常见机器人传感器工作原理与使用方法，熟悉机器人平台使用与搭建；设计一个简单的机器人，并采用多种程序设计方法使它能动起来。 （二）仪器工具及材料 计算机、机器人实验系统、机器人软件开发平台、编程下载器等设备。 （三）内容及程序 实验内容： （1）碰撞传感器原理与应用； （2）颜色传感器原理与应用； （3）测距传感器原理与应用； （4）温度传感器原理与应用； （5）熟悉开发环境使用与操作；设计一个简单轮式移动机器人，并使用图形化编程方式实现对机器人的控制，通过该设计掌握机器人开发平台的结构设计、程序设计等基本方法。 实验步骤： 1)首先确定本次要做的机器人为货架物品颜色辨别的机器人。 2)根据模型将梁、轴、插销、螺丝等零件拼装成一个货架台 3)将货架台安装上可识别颜色的摄像头，并装在控制器上方，将两个摄像头的连接线分 别插入控制器的传感器接口，将显示器连接线插入传感器接口。 4)拼装完成后将控制器连接电脑，在电脑上运用Innobot软件对机器人进行颜色识别动 作的编程，拖动颜色传感器模块，对应选择数码管接口以及两个摄像头的接口，使机器人能将货架台上物品的颜色反应到数码管上。 5)将所编程序进行上传。测试看机器人是否能将颜色反映到显示器上完成所编动作。
（四）结果及分析 使用梁和轴以及螺钉拼装出货架台。 将拼装好的货架台装到传感器上。
六轴工业机器人实验报告
六轴工业机器人模块 实验报告 姓名：张兆伟 班级：13 班 学号：2015042130 日期：2016年8月25日
六轴工业机器人模块实验报告 一、实验背景 六自由度工业机器人具有高度的灵活性和通用性，用途十分广泛。本实验是在开放的六自由度机器人系统上，采用嵌入式多轴运动控制器作为控制系统平台，实现机器人的运动控制。通过示教程序完成机器人的系统标定。学习采用C++编程设计语言编写机器人的基本控制程序，学习实现六自由度机器人的运动控制的基本方法。了解六自由度机器人在机械制造自动化系统中的应用。 在当今高度竞争的全球市场，工业实体必须快速增长才能满足其市场需求。这意味着，制造企业所承受的压力日益增大，既要应付低成本国家的对手，还要面临发达国家的劲敌，二后者为增强竞争力，往往不惜重金改良制造技术，扩大生产能力。 机器人是开源节流的得利助手，能有效降低单位制造成本。只要给定输入成值，机器人就可确保生产工艺和产品质量的恒定一致，显著提高产量。自动化将人类从枯燥繁重的重复性劳动中解放出来，让人类的聪明才智和应变能力得以释放，从而生产更大的经济回报。 二、实验过程 1、程序点0——开始位置 把机器人移动到完全离开周边物体的位置，输入程序点 0。按下手持操作示教器上的【命令一览】键，这时在右侧弹出指令列表菜单如图： 按手持操作示教器【下移】键，使{移动 1}变蓝后，按【右移】键，打开{移动 1}子列表，MOVJ 变蓝后，按下【选择】键，指令出现在命令编辑区。修改指令参数为需要的参数，设置速度，使用默认位置点 ID 为 1。（P1 必须提前示教好）。按下手持操作示教器上的【插入】键，这时插入绿色灯亮起。然后再按
机器人发展史
机器人的发展历史及未来的发展方向 一、引言 机器人溯源 科幻作家想象的超人机器人是一台并不新颖的拟人机器日本在Edo时代就有端茶杯的玩偶。这个由弹簧、齿轮、凸轮和连杆组成的玩偶靠发条运动。刨造“Robot”一词不是很久以前的事。1923年捷克作家Kare!Capek发表了科幻尉本((Rossum的万能机器人。Ca pek把捷克语 Robota”写成 Robot，其意思是农奴(属于为中世纪贵族地主从事农业劳动的阶层)，预告了机器人的发展对人类社会科学与技术的悲烈性影响，这被当作了机器人的起源。故事的梗概如下： Rossum公司开始把机器人作为人类生产的工业产品推向市场，充当劳动力。机器人按照其主人的命令静悄悄的工作，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的不公正的劳动。就功能而言，现代的工业机器人还不如它们，但在没有感情这一点上是类似的。后来，Rossum 公司取得了成功，使机器人具有感情(感知能力和敏感性)，导致机器人应用部门迅速增加。在无需感情的工厂劳动和琐碎的家务劳动方面，机器人的存在成了不可避免的事。这个想法已经远远超出了现代工业机器人的用途。机器人立刻宣布人类并不优秀，人类的自私和不公正已变得十分有害，因而它们最后造反了。机器人在体能和智能方面是优异的，因此它们开始屠杀世界各地的人们。但是机器人不知道如何制造它们自己，认为它们自己很快就会灭绝，所以它们搜寻人类的幸存者，但没有结果。最后，一对感知能力优于其它机器人的男女机器人相爱了，并传宗接代。这时，机器人进化为人类，世界又起死回生了。 机器人到底是什么 我们头脑里也许马上会联想到科幻电影里面长的像人的机器。其实那只是机器人的狭意理解。机器人的完整意义应该是一种可以代替人进行某种工作的自动化设备。它可以是各种样子，并不一定长得像人，也不见得以人类的动作方式活动。而国际标准化组织（ISO）对机器人的定义是： 1)机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体的某些器官（肢体、感受等）的功能； 2)机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变； 3)机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等； 4)机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖人的干预； 二、机器人发展的四个时期 由于机器人在很早以前就有了萌芽，近几十年来又经过了几次变革，因此本人将其发展分为四个时期： 胚胎时期：公元200年至20世纪中期，在这个时期机器人虽未问世，也没有实质性的发展，但已有机器人的雏形。 我国宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》一书中，记载有一个“自动木人抓老鼠”的故事，“该木人名钟馗，身高三尺，能左手扼属，右手持铁简毙之，动作灵巧”。 三国时期，诸葛孔明为运送军用物资而发明了木牛流马，相传可以“日行三千、夜走八百”。《三国志·诸葛亮传》记载：“（建兴）九年，亮复出祁山，以木牛运，粮尽退军十二年春，亮悉大众由斜谷出，以流马运，据武功五丈原，与司马宣王对于渭南。” 18世纪瑞士钟表匠德罗斯父子制造了机器人玩具，由弹簧驱动，用凸轮控制，可以写字、弹风琴。 幼儿时期：20世纪五六年代，即第一代示教再现型机器人。它可以感知识别方块，并自动堆积方块而不需人的干预。这一时期机器人有了实质性的发展，但它只能根据事先编好的程
机器人实训报告
一、机器人擂台赛 1、实训目的 机器人擂台赛的目的在于促进智能机器人技术（尤其是自主识别、自主决策技术）的普及。参赛队需要在规则范围内以各自组装或者自制的自主机器人互相搏击，并争取在比赛中获胜，以对抗性竞技的形式来推动相关机器人技术在大学生、青少年中的普及与发展。可以用自己设计的机器人来参加擂台赛，同时掌握这个环节所展现出来的机器人技术。 机器人擂台赛未来的发展目标是：比赛中，两个使用双腿自主行走的仿人形机器人互相搏击并将对方打倒或者打下擂台。? 2、实训要求 在指定的大小擂台上有双方机器人。?双方机器人模拟中国古代擂台搏击的规则，互相击打或者推挤。如果一方机器人整体离开擂台区域或者不能再继续行动，则另一方获胜。机器人大小要求长、宽、高分别不能超过30cm、30cm、40cm 。 比赛场地大小为长、宽分别为是 2400?mm的台，台上表面即为擂台场地。有黑色的胶布围成。?比赛开始后，?围栏内区域不得有任何障碍物或人。? 3、比赛规则分析? 我们需要吃透比赛规则，然后才能在比赛规则允许的范围内，尽量让我们的机器人具有 别人不具有的优势。对上述的比赛规则分析得到以下几个重点：? 3、1需要确保自己不掉下擂台
需要有传感器进行擂台边沿的检测，当发现机器人已经靠近边沿立刻转弯或者掉头。擂 台和地面存在比较大的高度差，我们通过测距传感器很容易发现这个高度落差，从而判断出 擂台的边沿。如图所示，在机器人上安装一个测距传感器，斜向下测量地面和机器人的 距离，机器人到达擂台边沿时，传感器的测量值会突然间变得很大。由于红外测距传感器使 用方便，并且“创意之星”控制器可以接入最多 8 个红外测距传感器，我们可以将它作为首选方案。? 擂台地面时有灰度变化的，我们可以在机器人腹部安装一些灰度传感器，来判读机器人 覆盖区域的灰度变化，从而判读机器人相对场地的方向。可以通过整体灰度值来判读机器人 的位置是不是靠近边沿，如果机器人靠近边沿就转弯后者后退。? 3、2需要及时的发现敌方 这里我们使用红外接近开关作为寻找敌方的方案并不算优秀，红外接近开关的有效测量范围是 20cm，20cm 之外的物体是察觉不到的。我们可以改成红外测距传感器，它的有效测量范围是 10‐80cm，比较适合我们当前的使用场合。? 3、3需要迅速的推动敌方，将敌方退下擂台 我们可以想象，两只斗牛相互推挤，赢的一定是力气比较大的一方。?
北航adams实验报告-四足机器人
成绩 采用ADAMS和MATLAB建立机械装置或机电装置虚拟样机 ——四足机器人建模与仿真 实验报告 院（系）名称自动化科学与电气工程 专业名称控制工程 学生学号0 学生姓名0 指导教师0 2016年4月
一、实验背景 1. 参照自然界四足哺乳动物如猫狗的运动形式，对四足机器人进行建模，结合虚拟样机技术软件ADAMS，对四足机器人进行步态规划、运动学和动力学分析，使四足机器人模型良好运行。 2. 利用拉格朗日能量法建立四足机器人坐标系并对四足机器人进行运动学分析。 3.在Solidworks中建立四足机器人三维模型，之后将三维模型导入至虚拟样机软件ADAMS中，在ADAMS中建立虚拟样机模型，并利用样条曲线来规划机器人的运动轨迹，进行仿真，实现机器人的直线行走。 二、实验原理 2.1 研究对象背景分析 移动机器人按移动方式大体分为两大类；一是由现代车辆技术延伸发展成轮式移动机器人（包括履带式）；二是基于仿生技术的运动仿生机器人。运动仿生机器人按移动方式分为足式移动、蠕动、蛇行、游动及扑翼飞行等形式,其中足式机器人是研究最多的一类运动仿生机器人。 自然环境中有约50％的地形，轮式或履带式车辆到达不了，而这些地方如森林，草地湿地，山林地等地域中拥有巨大的资源，要探测和利用且要尽可能少的破坏环境，足式机器人以其固有的移动优势成为野外探测工作的首选，另外，如海底和极地的科学考察和探索，足式机器人也具有明显的优势，因而足式机器人的研究得到世界各国的广泛重视。现研制成功的足式机器人有1足，2足，4足，6足，8足等系列，大于8足的研究很少。 曾长期作为人类主要交通工具的马，牛，驴，骆驼等四足动物因其优越的野外行走能力和负载能力自然是人们研究足式机器人的重点仿生对象。因而四足机器人在足式机器人中占有很大的比例，四足机器人的研究深具社会意义和实用价值。 2.2 研究对象数学模型分析 四足机器人整体结构由躯体、左前腿、右前腿、左后腿、右后腿五部分组成。
六足机器人的发展史
一、前言 談到足式機器人，當然目前主流大多是聯想到和人相似、有親切感的雙足機器“人”，從某一層面來看，以雙足步行為演化上的一個極為小眾的特例，本身對達到穩定運作控制的困難度很高，從瞭解「生物出生到可以開始自行運動所需的時間」便可以窺知一二。從另一個角度來看，人類所能自在運動的地表也侷限在某一些型態之中，若要探討如何在各式自然地形上運動的法則，勢必得回過頭來探討多足動物的運動機制。而從物理直覺來評析，單就在崎嶇路面上運動的穩定性來探討，採用多足機器人會比較簡單且實際。基於這一些原因，仿生多足機器人的研發便有了背後的動機，模仿經過長時間演化後動物的構造，藉由觀察牠們的運動，了解為什麼有如此的動作，再利用機構或是控制去完成。在自然界中，我們看到體型較大、有優秀運動能力的動物像馬、獵豹、羚羊等等都是四隻腳的哺乳類動物，但考慮到穩定性卻是六足比較佔優勢，只要用簡單的三腳步態（tripod gait)即可讓重心輕易落在支撐的三角形中。四足動物的腳可能需要比較大的力量才能表現出他的特性，但人類尚無法仿造出重要的肌肉和控制系統，以現有機構和馬達組成的系統，重量太重而無法有效運動。這時，自由度的選擇以及機構設計便成了一個很重要的課題。 這二、三十年學業界創造出了許多各式各樣的多足機器人，在後續的文章中便為各位讀者進行介紹[2, 3]。 二、學術界開發仿生多足機器人 （1）Quadruped 圖一 Quadruped[4] 由Prof. Marc Reibert所領導的MIT Leg Lab於1984~1987年製作，重38公斤，整體長度公尺，高度公尺，採用長柱狀的腳，每一隻腳連接身體的關節是由兩個液壓致動器（hydraulic actuators)組成，分別控制腳的前後及左右的旋轉，腳上有一個線性致動器來提供推進力。
机器人实验报告
一、机器人的定义 美国机器人协会（RIA）的定义: 机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用的装置，通过可编程序动作来执行种种任务的、并具有编程能力的多功能机械手。 日本工业机器人协会(JIRA—Japanese Industrial Robot Association)：一种带有存储器件和末端执行器的通用机械，它能够通过自动化的动作替代人类劳动。(An all—purpose machine equipped with a memory device and an end—effector，and capable of rotation and of replacing human labor by automatic performance of movements．) 世界标准化组织(ISO)：机器人是一种能够通过编程和自动控制来执行诸如作业或移动等任务的机器。(A robot is a machine which can be programmed to perform some tasks which involve manipulative or locomotive actions under automatic control．) 中国(原机械工业部)：工业机器人是一种能自动定位控制、可重复编程、多功能多自由度的操作机，它能搬运材料、零件或夹持工具，用以完成各种作业。 二、机器人定义的本质： 首先，机器人是机器而不是人，它是人类制造的替代人类从事某种作业的工具，它能是人的某些功能的延伸。在某些方面，机器人可具有超越人类的能力，但从本质上说机器人永远不可能全面超越人类。
四足仿生移动机器人结构设计
毕业设计说明书 作者：学号： 系：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 题目：四足仿生移动机器人结构设计 指导者：副教授 评阅者：
目次 1 概述 ................................................ 错误！未定义书签。 1.1 绪论........................................... 错误！未定义书签。 1.2 国内外研究现状及关键技术....................... 错误！未定义书签。 1.3 本课题主要研究内容............................. 错误！未定义书签。 2 四足仿生移动机器人的结构设计原则及要求 ............... 错误！未定义书签。 2.1 四足仿生移动机器人的总体方案确定............... 错误！未定义书签。 2.2 机器人机械结构及传动设计....................... 错误！未定义书签。 3 电机的确定 .......................................... 错误！未定义书签。 3.1 各关节最大负载转矩计算......................... 错误！未定义书签。 3.2 机器人驱动方案的对比分析及选择................. 错误！未定义书签。 3.3 驱动电机的选择................................. 错误！未定义书签。 4. 带传动设计 .......................................... 错误！未定义书签。 4.1 各参数设计及计算............................... 错误！未定义书签。 4.2 带型选择及带轮设计............................. 错误！未定义书签。5工作装置的强度校核.................................... 错误！未定义书签。 5.1 轴的强度校核................................... 错误！未定义书签。 5.2 轴承的选型..................................... 错误！未定义书签。结论 ................................................. 错误！未定义书签。参考文献 ............................................ 错误！未定义书签。致谢 ................................................. 错误！未定义书签。
六轴工业机器人实验报告
六轴工业机器人模块 实验报告
六轴工业机器人模块实验报告 一、实验背景 六自由度工业机器人具有高度得灵活性与通用性,用途十分广泛。本实验就是在开放得六自由度机器人系统上,采用嵌入式多轴运动控制器作为控制系统平台,实现机器人得运动控制。通过示教程序完成机器人得系统标定。学习采用C++编程设计语言编写机器人得基本控制程序,学习实现六自由度机器人得运动控制得基本方法。了解六自由度机器人在机械制造自动化系统中得应用。 在当今高度竞争得全球市场,工业实体必须快速增长才能满足其市场需求。这意味着,制造企业所承受得压力日益增大,既要应付低成本国家得对手,还要面临发达国家得劲敌,二后者为增强竞争力,往往不惜重金改良制造技术,扩大生产能力。 机器人就是开源节流得得利助手,能有效降低单位制造成本。只要给定输入成值,机器人就可确保生产工艺与产品质量得恒定一致,显著提高产量。自动化将人类从枯燥繁重得重复性劳动中解放出来,让人类得聪明才智与应变能力得以释放,从而生产更大得经济回报。 二、实验过程 1、程序点0——开始位置 把机器人移动到完全离开周边物体得位置,输入程序点 0。按下手持操作示教器上得【命令一览】键,这时在右侧弹出指令列表菜单如图: 按手持操作示教器【下移】键,使{移动 1}变蓝后,按【右移】键,打开{移动1}子列表,MOVJ 变蓝后,按下【选择】键,指令出现在命令编辑区。修改指令参数为需要得参数,设置速度,使用默认位置点 ID 为 1。(P1 必须提前示教好)。按下手持操作示教器上得【插入】键,这时插入绿色灯亮起。然后再按下【确认】键,指令插入程序文件记录列表中。此时列表内容显示为: MOVJ P=1 V=25 BL=0 (工作原点)
国内外四足机器人发展及普及
摘要：对四足机器人研究应用的历史与现状做了介绍，列举出国内外主要研究机构及其主要研究成果，对四足机器人研究的热点和难点问题进行了归纳总结，并展望了四足机器人的发展趋势。 关键词：四足机器人；研究与应用；历史与现状；难点与热点；发展趋势 1. 引言 移动机器人按移动方式大体分为两大类；一是由现代车辆技术延伸发展成轮式移动机器人（包括履带式）；二是基于仿生技术的运动仿生机器人。运动仿生机器人按移动方式分为足式移动、蠕动、蛇行、游动及扑翼飞行等形式,其中足式机器人是研究最多的一类运动仿生机器人。 自然环境中有约50％的地形，轮式或履带式车辆到达不了，而这些地方如森林，草地湿地，山林地等地域中拥有巨大的资源，要探测和利用且要尽可能少的破坏环境，足式机器人以其固有的移动优势成为野外探测工作的首选，另外，如海底和极地的科学考察和探索，足式机器人也具有明显的优势，因而足式机器人的研究得到世界各国的广泛重视。现研制成功的足式机器人有1足，2足，4足，6足，8足等系列，大于8足的研究很少。 曾长期作为人类主要交通工具的马，牛，驴，骆驼等四足动物因其优越的野外行走能力和负载能力自然是人们研究足式机器人的重点仿生对象。因而四足机器人在足式机器人中占有很大的比例。长期从事足式机器人研究的日本东京工业大学的広濑茂男等学者认为：从稳定性和控制难易程度及制造成本等方面综合考虑，四足机是最佳的足式机器人形式[1]，四足机器人的研究深具社会意义和实用价值。 2. 国内外四足机器人研究历史与现状 四足机器人的研究可分为早期探索和现代自主机器人研究两个阶段。 2.1 四足机器的早期探索 中国古代的“木牛流马”以及国外十九世纪由Rygg设计的“机械马”，是人类对足式行走行机器的早期探索。而Muybridge在1899年用连续摄影的方法研究动物的行走步态，则是人们研究足式机器人的开端。20世纪60年代，机器人进入了以机械和液压控制实现运动的发展阶段。美国学者Shigley（1960）和Baldwin（1966）都使用凸轮连杆机构设计了机动的步行车[2]。这一阶段的研究成果最具代表性的是美国的Mosher于1968年设计的四足车“Walking Truck” [3]（图1）。 图1 Walking truck 80年代，随着计算机技术和机器人控制技术的广泛研究和应用，真正进入了具有自主行为的现代足式机器人的广泛研究阶段。
机器人实验与技术实验报告
机器人技术课程实验报告 题目：机器人灭火 专业：自动化 班级： 101 姓名及学号： 2013年10 月 成都信息工程学院控制工程学院 一、设计目的： 1、通过本课程的学习和训练，了解有关机器人技术方面的基本知识，掌握机器人学所涉及的技术的基本原理和方法，得到机器人技术开发的实践技能训练。
2、巩固相关理论知识，了解机器人技术的基本概念以及有关电工电子学、单片机、传感器等技术。 3、通过使用机器人模型，编程处理机器人运动过程，分析机器人的控制原理，通过对其具体结构的了解。 4、培养自学能力和独立解决问题的能力，熟悉MT-UROBOT图形界面的编程与调试方法，熟练掌握平台的输入输出口进行控制。 二、设计任务： 使机器人能在迷宫内自主行走，能自己编写程序，让机器人完成相应的任务。 三、设计要求： 1、认真阅读教材中第1章和第2章的内容，学会工程项目的建立，应用程序的仿真与调试。 2、利用I/O口和传感器对机器人进行控制。（实验步骤和参考程序可参照使用说明中的第3章及第四章4.3节） 四、系统设计： 1、介绍所使用的硬件情况及工作原理： MT-UROBOT是一种供教学和研究的新型移动智能机器人。开关按钮控制MT-URO MT-UROBOT结构（如下：） OT 电源开关的按钮，按此按钮可以打开或关闭机器人电源。“电源”指示灯按下 MT-UROBOT 的开关后，这个灯会发绿光，这时可以与机器人进行交流了！“充电”指示灯当你给机器人充电时，“充电”指示灯发红光。“充电口”将充电器的相应端插入此口，再将另一端插到电源上即可对机器人充电。“下载口”“充电口”旁边的“下载口”用于下载程序到机器人主板上，使用时只需将串口连接线的相应端插入下载口，另一端与计算机连接好，这样机器人与计算机就连接起来了。“复位/MTOS”按钮这是个复合按钮，用于下载操作系统和复位。当串口通信线接插在下载口上时，按击此按钮，机器人系统默认为此操作为下载操作系统；如果你想使用其复位功能则需要将通信线拔下，按击此按钮，机器人系统认为此操作为系统复位。“RUN”键打开电源后，按击“RUN”键，机器人就可以运行内部已存储的程序，按照你的“指令”行动。“通信”指示灯“通信”指示灯位于机器人主板的前方，在给 MT-UROBOT 下载程序时，这个黄灯会闪烁，
仿生四足机器人的研究：回顾与展望(3)
仿生四足机器人的研究：回顾与展望 摘要：本文侧重于仿生四足机器人。在这一领域的主要挑战是如何设计高动力性和高负载能力的仿生四足机器人。本文首先介绍了仿生四足机器人，尤其是具有里程碑意义的四足机器人的历史。然后回顾了仿生四足机器人驱动模式的现代技术。随后，描述了四足机器人的发展趋势。基于仿生四足机器人的技术现状，简要回顾了四足机器人的技术难点。又介绍了山东大学研制的液压四足机器人。最后是总结和展望未来的四足机器人。 一、导言 代替人类在复杂和危险的环境中工作的移动机器人的需求引起越来越多的关注，如煤矿井下，核电站，以及打击恐怖主义的战争。一般移动机器人可分为三种类型：空中机器人，水下机器人和地面机器人。地面机器人的开发主要是运用轨道或轮子。轮式和履带式机器人可以在平整地面工作，但大多数是无法在凹凸不平的地面上工作。换句话说，现有的地面机器人只能在部分地面工作。与轮式和履带式机器人相比，腿式机器人有可能适应更为广泛的地形，就像如同有腿的动物，几乎可以行走在所有的地形。例如，羚羊具有很强的运动能力，即便在高度复杂的环境中也一样。因此，近些年人们积极地投入腿式机器人的研究中。腿式机器人可以去动物能够到达的地方，应该要构建并运用于实际。尽管机器人技术领域取得了巨大成就，腿式机器人仍然远远落后于它们的仿生学 [1，2]。 基于机械结构，腿式机器人可分为步行机器人和爬行机器人。与爬行动物的机器人相比，步行机器人几乎与躯干垂直的腿被认为更适应载重。步行机器人可以有效地承受更大的载重。具有联合执行机构的步行机器人具有良好的行走速度和运输能力。因此，基于哺乳类动物的仿生机器人的研究已成为机器人领域的重要发展方向。 现已有一、二、三、四甚至更多条腿的腿式机器人。最普遍的是具有高效率步态和稳定性能的偶数条腿的腿式机器人[3]。在腿式机器人中，四足机器人具
农业机器人发展史
农业机器人发展史 自古以来，我国便是一个农业大国，依靠着大量人工人力，促使着我国在农耕时代屹立于世界，农耕文化至今还影响着我国。 随着时代的发展，农耕已不足以支撑起一个大国，西方国家文明改革，工业自动化生产渐渐地占据主要优势和地位，进而农业也渐渐地朝着自动化方向发展。 农业机器人类型 农业机器人种类繁多，按作业对象不同可以分为以下四类（1）可完成各种繁重体力劳动的农田机器人，如插秧、除草、施肥及施药机器人等（2）可实现蔬菜水果自动收获、分选、分级等工作的果蔬机器人，如采摘苹果，蔬菜嫁接机器人等（3）可替代人养牲畜，挤牛奶等机器人(4)可替代人实现伐木、整枝、造林等工作的机器人，如林木球果采集、伐根清理机器人等 农业机器人与工业机器人有很多共同之处，主要结构均包括五官、头脑、神经等部位，但与工业机器人又有如下明显不同 (1)作业对象的娇嫩和复杂性；(2) 作业环境的易变性和难预测性，要求机器人要 有足够的适应性；（3）使用对象与价格的特殊性，农业机器人必须具有简单、 可靠性，且制造成本应尽量低。 国内外农业机器人研发概况 发达国家对农业机器人的研制起步早、投资大、发展快，这些国家拥有规模化、多样化、精确化的农业生产设施，有效的促进了农业机器人与其他智能化农业机械的发展。 自20世纪80年代开始，发达国际根据本国实际，纷纷开始农业机器人的研发，并相继研制出嫁接机器人、移栽机器人和采摘机器人等多种农业生产机器人，如澳大利亚的剪羊毛机器人、荷兰的挤奶机器人、日本和韩国的插秧机器人、英国的柑橘采摘机器人等；近年来，东南亚一些国家对农业机器人的研发也表示出较大的兴趣。由于农业生产环境、作业对象及使用者等与工业生产领域截然不同，发达国家研发成功的农业机器人目前尚未实现商品化生产和大面积普及。 中国的农业机器人研发起步晚、投资少、发展慢，与发达国家相比差距还很大，目前还处于起步阶段。20世纪90年代中期，国内才开始农业机器人技术的研发。中国农业大学为中国大陆农业机器人技术早期研发中心之一，研制出来的自动嫁接机器人已成功进行了试验性嫁接生产，解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长不一致性等难题，可用于黄瓜，西瓜和甜瓜等幼苗的嫁接，形成了具有自主知识产权的自动化嫁接技术。随后南京农业大学、东北林业大学等其他高校也相继开展相关研究，取得了不错的成果。 中国机器人技术与发达国家相比差距明显，农业机器人差距更大，但随着中国科技和经济的快速发展，尤其是国家不断加大农业机械化发展扶持力度，中国农业机械化事业进入了前所未有的良好发展时期，也为农业机器人提供了良好的发展机遇，农业机器人技术的先进性和先导性决定了其必将成为未来中国农业技术装备研发的重要内容之一。 农业机器人的发展，对解放工人，提高生产效率具有重大意义。
工业机器人编程技术实训课程标准
工业机器人编程技术课程标准 一、课程基本信息 先修课程：电工技术基础、电气控制与PLC、电子技术基础 后续课程：工业机器人安装与调试实训 课程类型：专业必修 二、课程性质 “工业机器人编程技术”是机电专业的一门专业核心课，是在相关专业学习课程学完后的一门综合性课程。机器人技术是一门跨多个学科的综合性技术，涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多种学科的内容。本课程的先导课程为：“电工电子技术”、“电气控制与PLC”、“机电设备故障诊断与维修”“工业机器人安装与调试”，经过这四门课程的学习，学生已具备机械部件故障诊断与维修方法、机电设备电器控制、电子产品焊装调试、软件编程和机械图和电器原理图的识读能力。已基本具备学习本课程的知识、技能基础。《工业机器人编程技术》后续课程为《自动化工业生产的安装与调试实训》，进一步学习生产自动化的能力与技能。本课程在专业教学与实践工作之间起了承前启后的桥梁作用，是工业机器人技术专业人才培养过程重要的环节。 三、课程的基本理念 以学生为主体，以工学结合为宗旨，以岗位职业能力的培养为重点，目的是强化学生的工程实践能力与创新能力。“工业机器人编程技术”课程在设计教学思路和理念时，采用基于项目教学的课程教学模式。根据专业人才培养目标及岗位群对学生岗位能力提
出的要求，明确课程目标，分析岗位工作过程，确定岗位典型工作任务，并根据典型工作任务整合教学内容，设计相应的实训项目，注重培养学生的专业能力、方法能力、创新能力和社会能力。 四、课程设计 该该课程是依据“机电一体化专业工作任务与职业能力分析表”中的职业岗位工作项目设置的。其总体设计思路是为以工作任务为中心组织课程内容，让学生在完成具体项目的过程中构建相关理论知识，发展职业能力。课程内容突出对学生职业能力的训练，并融合了相关职业资格证书对知识、技能和态度的要求。 通过对课程内容高度归纳，概括了工业机器人系统构成、机器手动操作、机器人编程控制、机器人参数设定及程序管理等，容的组织是由易到难，由浅入深，由基本理论知识到提高知识与技能训练。学生通过学习，基本掌握本课程的核心知识与技能，初步具备工业机器人现场编程能力以及有关的创新创业技能。 五、课程的目标 （一）总目标 本课程以面向就业岗位为导向，结合工业机器人技术能力目标，对本课程进行了知识体系重构。整个学习过程突出了职业性、实践性和实用性的特点。教学知识点由工业机器人的开关机操作到认识示教器，再到手动操作方法、自动运行方法，学习内容逐渐深化。通过本门学习领域课程工作任务的完成，使学生达到理论联系实际、活学活用的基本目标，提高其实际应用技能，并使学生养成善于观察、独立思考的习惯，同时通过教学过程中的案例分析强化学生的职业道德意识和职业素质养成意识以及创新思维的能力。 （二）具体目标： 1、知识：
《工业机器人》实验报告
北京理工大学珠海学院实验报告 实验课程：工业机器人实验名称：实验一：工业机器人认识 教师：时间：班级：姓名：学号： 一、实验目的与任务 了解6自由度工业机器人的机械结构，工作原理，性能指标、控制系统，并初步掌握操作。了解6自由度工业机器人在柔性制造系统中的作用。 二、实验设备 FMS系统（含6-DOF工业机器人） 三、实验内容与步骤 1、描述工业机器人的机械结构、工作原理及性能指标。 2、描述控制系统的组成及各部分的作用。
3、描述机器人的软件平台及记录自己在进行实际操作时的步骤及遇到的问题以及自己的想法。教师批阅:
北京理工大学珠海学院实验报告 实验课程：工业机器人实验名称：实验二：机器人坐标系的建立 教师：时间：班级：姓名：学号： 一、实验目的与任务 了解机器人建立坐标系的意义；了解机器人坐标系的类型；掌握用D-H方法建立机器人坐标系的方法与步骤。 二、实验设备 FMS系统（含6-DOF工业机器人） 三、实验内容与步骤 1、描述机器人建立坐标系的意义以及机器人坐标系的类型。 2、深入研究机器人机械结构，建立6自由度关节型机器人杆件坐标系，绘制机器人杆件坐标系图。
教师批阅:
实验课程：工业机器人实验名称：实验三：机器人示教编程与再现控制 教师：时间：班级：姓名：学号： 一、实验目的与任务 了解机器人示教编程的工作原理，掌握6自由度工业机器人的示教编程与再现控制。 二、实验设备 FMS系统（含6-DOF工业机器人） 三、实验内容与步骤 1、描述机器人示教编程的原理。 2、详细叙述示教编程与再现的操作步骤，记录每一个程序点，并谈谈实验心得体会。教师批阅: